反激變換器緩沖回路的設(shè)計(jì)

蔡程程，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)CAE研究所，杭州310018)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源正趨向于小型化和輕量化。反激變換器具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中、小功率的電源中［1］。為了減小電源的體積和重量，提高開關(guān)頻率是最可行的方法。然而，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗也越來(lái)越大，帶來(lái)了效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，反激式變換器在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓。這個(gè)尖峰電壓會(huì)嚴(yán)重的影響開關(guān)管的工作，需要設(shè)置緩沖吸收回路對(duì)其進(jìn)行抑制。

很多種方法可以實(shí)現(xiàn)緩沖吸收的目的，總體上主要通過(guò)兩種方法［2］:一是減小漏電感，二是耗散過(guò)電壓的能量，或者使能量反饋回電源中。減小漏感主要靠工藝;耗散過(guò)電壓的能量通過(guò)與變壓器或者開關(guān)管并聯(lián)的緩沖電路;能量反饋回電源則采用附加電感和定向二極管的方法。下面主要介紹RCD緩沖回路與LCD吸收回路的設(shè)計(jì)方法。

1 RCD緩沖回路

圖1所示是實(shí)際變壓器的等效電路，勵(lì)磁電感與理想變壓器并聯(lián)，漏感與勵(lì)磁電感串聯(lián)。勵(lì)磁電感能量可通過(guò)理想變壓器耦合到副邊，而漏感因?yàn)椴获詈?，能量不能傳遞到副邊，如果不采取措施，漏感將通過(guò)寄生電容釋放能量，引起電路震蕩，影響電路工作［8］。為提高電路工作，可在變壓器前級(jí)加入RCD吸收回路。

由于電容為儲(chǔ)能元件，因此在變壓器的初級(jí)繞阻前面加上電容，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間能夠?qū)⒆儔浩髦袃?chǔ)存的漏感能量轉(zhuǎn)移到電路的箝位電容上去［3］。另外，由箝位電容箝位電阻于二極管組成的RCD回路就能夠?qū)⒋瞬糠帜芰肯?。從而減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。圖2所示為加入RCD吸收回路的反激變換器。RCD鉗位吸收電路由鉗位電阻R1，鉗位電容C1和二極管D1組成。加入RCD箝位電路之后，Lleak中的大部分的能量將在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間轉(zhuǎn)移到箝位電路的箝位電容上，然后這部分能量被箝位電阻消耗，這樣就減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

圖1 變壓器模型的反激變換器

圖2 有RCD緩沖回路的反激變換器

對(duì)于電容與電阻值的選擇，綜合考慮以下因素，選擇最適合的值:

(1)RCD電容C偏大

電容端電壓上升很慢，因此導(dǎo)致開關(guān)管電壓上升較慢，導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)斷至次級(jí)導(dǎo)通的間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，變壓器能量傳遞過(guò)程較慢，相當(dāng)一部分初級(jí)勵(lì)磁電感能量消耗在RC電路上。

(2)RCD電容C特別大

電容電壓很小，電壓峰值小于次級(jí)的反射電壓，因此次級(jí)不能導(dǎo)通，導(dǎo)致初級(jí)能量全部消耗在RCD電路中的電阻上，因此次級(jí)電壓下降后達(dá)成新的平衡，理論計(jì)算無(wú)效了，輸出電壓降低。

(3)RCD電阻電容乘積R×C偏小

電壓上沖后，電容上儲(chǔ)存的能量很小，因此電壓很快下降至次級(jí)反射電壓，電阻將消耗初級(jí)勵(lì)磁電感能量，直至開關(guān)管開通后，電阻才緩慢釋放電容能量，由于RC較小，因此可能出現(xiàn)震蕩，就像沒(méi)有加RCD電路一樣。

(4)RCD電阻電容乘積R×C合理，C偏小

如果參數(shù)選擇合理，開關(guān)管開通前，電容上的電壓接近次級(jí)反射電壓，此時(shí)電容能量泄放完畢，缺點(diǎn)是此時(shí)電壓尖峰比較高，電容和開關(guān)管應(yīng)力都很大。

(5)RCD電阻電容乘積R×C合理，R，C都合適

在上面的情況下，加大電容，可以降低電壓峰值，調(diào)節(jié)電阻后，使開關(guān)管開通之前，電容始終在釋放能量，與上面的最大不同，還是在于讓電容始終存有一定的能量。

綜上考慮得知，在RCD吸收回路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們一般采取，其中V為箝位clamp電壓，ΔVclamp為箝位電容上的電壓波動(dòng)，fs為變壓器的工作頻率。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓V加在變壓器繞組上，由于二極管反向偏置，阻止箝位電容的放電，所以Vc≈0。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感中的能量給開關(guān)管的漏源極間電容和電路中的其他雜散電容充電，直到漏源電壓達(dá)到U，二極管導(dǎo)通，箝位電容電壓逐漸上升，即漏源電壓也逐漸上升，而且箝位在2%數(shù)值［4］。在剩余時(shí)間里，隨著電阻放電電流減小，電容的電壓會(huì)返回到原來(lái)值，多余的能量被電阻消耗。

在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，因?yàn)轶槲浑娙莸碾妷簳?huì)自動(dòng)調(diào)整，直到多余的能量消耗在電阻上。如果沒(méi)有RCD緩沖電路，漏感中的能量將會(huì)在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到開關(guān)管的漏源極間電容和電路中的其他雜散電容，此時(shí)，開關(guān)管的漏極將會(huì)承受較高的電應(yīng)力，導(dǎo)致開關(guān)管失效。

RCD緩沖電路最簡(jiǎn)單，成本最低，可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但其損耗較大，箝位電壓依賴于變換器的輸出電流，與輸入電壓無(wú)關(guān)，會(huì)隨電阻減小而減小，但損耗增大［5］。

2 LCD緩沖回路

LCD緩沖回路如圖 3所示，由L，C，D1，D2組成。LCD緩沖回路不但能夠有效的抑制開關(guān)管關(guān)斷時(shí)由漏感能量造成的電壓尖峰，而且能夠?qū)⒆儔浩鞯穆└心芰糠答伝仉娋W(wǎng)。

如果LC諧振頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)頻率，在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷期間，箝位電容的極性將不斷改變。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，其漏極電壓開始上升，D1導(dǎo)通，電容將進(jìn)行充電，減緩了漏極電壓上升的速度，電容兩端的電壓為

圖3 LCD緩沖回路

式中I0為開關(guān)管關(guān)斷時(shí)初級(jí)繞組流過(guò)的電流，Vref為輸出反射電壓，Lkp為變壓器初級(jí)繞組漏感。

開關(guān)管導(dǎo)通后，箝位電容通過(guò)S、L和D2進(jìn)行放電。L、D2和C產(chǎn)生諧振，大約半個(gè)振蕩周期后，以電壓形式儲(chǔ)存在電容上的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍问剑瑑?chǔ)存在電感中，電容的電壓極性改變，充電到Vin。在下半周期內(nèi)，L上端電壓繼續(xù)升高，即電容兩端電壓大于Vin，D1導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感中的剩余能量通過(guò)D1返回電網(wǎng)。

在這種工作狀態(tài)下。箝位電容C的電壓與輸入電壓無(wú)關(guān)，依賴于負(fù)載電流的大小。由于LC諧振頻率非常高，電容C的值不能設(shè)計(jì)得過(guò)大，因此，在重載條件下，箝位電壓遠(yuǎn)大于輸出反射電壓(通常為Vref的2～4倍)。

LC諧振頻率，如果LC諧振頻率小于電路開關(guān)頻率，開關(guān)管導(dǎo)通期間，箝位電容儲(chǔ)存的能量通過(guò)LC振蕩，只有一小部分傳遞到電感［6］。開關(guān)管關(guān)斷后，電感中的能量通過(guò)D1和D2返回電網(wǎng)。箝位電容的電壓極性不會(huì)發(fā)生改變。電容值如果足夠大，在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電容電壓的微小變化將忽略不計(jì)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，達(dá)到能量平衡后

式中Lm為變壓器初級(jí)繞阻電感。

由于變壓器漏感遠(yuǎn)小于初級(jí)電感，箝位電容電壓與輸出反射電壓緊密相關(guān)，因此，選擇一個(gè)合適電感，箝位電容的電壓將對(duì)輸入電壓的依賴很小，并且箝位電壓可維持在比輸出反射電壓略高的一個(gè)值上，基本與輸入電壓無(wú)關(guān)。開關(guān)管的電壓

在寬輸入電壓情況下，LCD緩沖電路的箝位電壓非常低，接近于輸出反射電壓，不隨負(fù)載電流而變化，且無(wú)損耗，但需要額外提供一個(gè)可以與變壓器初級(jí)電感匹配的電感。用來(lái)減小開關(guān)管電流應(yīng)力。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了減緩開關(guān)管漏極電壓上升速率，LC諧振頻率，電容 C 取值應(yīng)足夠大［7］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)一個(gè)采用LCD緩沖回路的反激式開關(guān)電源。

輸入電壓U:20 V～30 V;輸出電壓U:10 V;輸出電流L:0～5 A;工作頻率:300 kHz。

圖4 箝位電容兩端的對(duì)地電壓

從圖4可以看出，在開關(guān)管開通時(shí)，開關(guān)管電壓迅速下降;而在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管電壓緩慢上升，有效地降低了開關(guān)損耗。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管上沒(méi)有出現(xiàn)大的浪涌電壓，開關(guān)管電壓被有效地箝位，因而開關(guān)管上的電壓應(yīng)力較小。在關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程中，開關(guān)管電壓有一個(gè)小的振蕩過(guò)程，這是由于輸出整流二極管的反向恢復(fù)而產(chǎn)生的。測(cè)試結(jié)果表明，LCD緩沖電路不但能將變壓器的激磁能量反饋回電網(wǎng)，而且能有效地抑制開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，電源整體轉(zhuǎn)換效率較高，大于86%，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損耗箝位。而同樣條件下的RCD吸收回路，電源整體轉(zhuǎn)換效率只能達(dá)到84%。由上可知，LCD吸收回路的整體效率要高于RCD吸收回路。

4 總結(jié)

本文分析了RCD緩沖回路與LCD緩沖回路，并進(jìn)行了比較。

RCD緩沖回路最簡(jiǎn)單是一種低能耗的緩沖回路，用來(lái)耗散過(guò)電壓的能量，但是有損耗，不能有效的吸收漏感的能量。LCD緩沖回路能夠有效的降低開關(guān)管的尖峰電壓，并且能將變壓器漏感儲(chǔ)存的能量反饋到輸入電源，大大提高了電源的轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該綜合考慮電路的特點(diǎn)和要求，選擇合適的緩沖電路，進(jìn)一步降低開關(guān)管的開關(guān)損耗和過(guò)電壓尖峰，提高開關(guān)電源的性能和可靠性。

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